风力机叶尖涡特性及其控制

通过数值模拟研究了风力机叶片尖部尾涡强度和控制方法。在叶片尖部设计了不同倾斜角的漩涡扩散器来控制叶尖涡,分析了风力机叶片尖部漩涡特征和叶片表面压力分布情况。同时,研究了叶尖涡强度随风轮尖速比变化规律。研究结果表明,叶尖涡扩散器能够提高叶尖涡涡核的总压,削弱其漩涡强度。在粘性作用下,风力机尾流漩涡耗散更快,可有效地削弱翼尖尾涡的强度,提高叶片效率。     

空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究

采用粒子图像测速仪PIV,对具有半管道式结构特点的空调器室外机轴流风机内部流场进行了实验研究,并结合实验结果分析了叶片顶部的叶尖涡和叶片出口尾缘涡的流动特性.实验结果显示在轴流风机流道内部叶顶区域存在与叶轮旋转方向相反的叶尖涡结构.叶尖涡产生于叶片前缘叶顶近吸力面侧,在流道内部与主流发生干涉后朝向周向和出口传播并逐渐耗散.叶尖涡涡心轨迹与叶顶弦长方向的夹角为10°,在叶高方向上叶尖涡的径向位置并不固定.与普通管道内部流动不同,叶片顶部与导风罩间的间隙中未捕捉到明显的叶顶泄漏涡现象.叶片出口近尾缘处30%以上叶高明显捕捉到尾缘涡结构,叶片压力面和吸力面侧的径向速度存在明显的方向变化,切向速度在尾迹区增加.     

基于自由涡尾迹法和面元法全耦合风力机气动特性计算

风力机气动特性主要由叶片贡献,但是处在流场下游的机身(包括机舱和塔架)对其也会产生影响。基于自由涡尾迹方法与面元法,得到了一个较为完备的风力机叶片与机身气动干扰的迭代计算方法。在该方法中,叶片用位于1/4弦线的一根升力涡线代替,结合叶片尾缘拖出的涡线建立自由涡尾迹模型,机身绕流模拟采用了一阶面元方法,将自由涡尾迹方法和面元法耦合模拟风力机主要气动特性。最后用该分析方法计算了NREL phaseVI风力机的气动特性,与实验结果进行比较和分析,验证了全耦合模型的有效性。     

柔性锯齿形尾缘流动分离控制实验的多尺度相干结构研究

本文采用柔性锯齿形尾缘进行了流动分离控制风洞实验。利用高频响热线风速仪测量了翼型尾流场,结合瞬时强度因子迭代算法,在时域、频域提取出多尺度湍流相干结构,分析了弹性振动和柔性形变对扰动传播不稳定性的影响。实验结果表明:尾流中分离区厚度减小5%弦长,柔性锯齿形尾缘跟随来流自适应变形摆动,吸收了约20%的尾缘剪切层中的湍动能,产生的大尺度扰流涡持续传递至前缘剪切层,降低了很大范围低频带宽内的功率谱密度,具有良好的降噪效果;脱落涡中相干结构的振幅和发生频率显著削弱,对尾流分离区边界移动、大型涡包破碎和抑制传播的作用非常明显。     

小流量下周向弯曲叶片叶顶泄漏流动的PIV研究

对带有周向前弯和周向后弯叶片的低压轴流风机,采用PIV技术测量小流量工况下叶顶区域瞬态速度场.基于小流量压力峰值工况下的瞬态测量结果,详细阐述了周向弯曲叶片叶顶泄漏涡的演化过程.结果表明:小流量压力峰值工况下,周向弯曲叶片叶顶泄漏涡存在瞬态特性,泄漏涡起源向前缘方向迁移,涡核在向下游发展的过程中不断破碎,沿端壁向通道中部迁移,并发生径向迁移;周向后弯叶片的泄漏涡较周向前弯叶片迁移明显,涡核破碎过程剧烈;周向前弯叶片有利于叶顶泄漏涡的控制.     

风力机叶片表面压力分布测量

本文给出了一个直径为5.35米的水平轴风力机在中国空气动力研究与发展中心12米×16米风洞试验段中进行的叶片表面压力分布的测量结果。在 Re 数从4×10~5至1.2×10~6的范围内,测量了叶片上八个剖面的压力分布。同时还用内式六分量天平测量了风轮的推力和功率。试验结果表明:风轮叶片根部处的载荷高于理论计算值,而叶尖处的载荷则低于理论计算值;叶素-动量理论对风轮最大功率预估偏低,而在高叶尖速比下,它对风轮的功率和推力预估偏高。测压试验结果与测力试验结果符合一致。     

并列双圆柱尾流切向喷射控制研究

采用PIV实验研究雷诺数为4000、中心距比为1.1的绕并列双圆柱流动施加切向喷射的尾涡控制特性。发现尾涡流场呈现双稳态偏流流型,偏向间隙流的存在将导致圆柱附近时均尾流场沿圆柱中心轴线不对称。分析圆柱尾流涡旋的分布情况和升力频谱,发现可以根据喷射角度θ及射流动量系数C_μ的大小将切向喷射尾流的控制效果分为无效区（θ≤20°或C_μ < 0.135）、非完全控制区（θ > 20°且C_μ > 0.135）和完全控制区（θ > 35°且C_μ > 0.304）。在非完全控制区,切向喷射诱导的射流势流区将并列双圆柱宽尾流抑制为窄尾流,涡系分布范围控制收缩在近尾流的一个三角形区域内。随着喷射角的增大或是射流动量系数的增大,圆柱所受升力的频谱峰值逐渐降低。在完全控制区,并列双圆柱尾流完全被消除,从时均场上看已无明显的涡旋存在,此时控制效果最优。     

压气机叶栅端壁叶尖涡系结构非定常特性研究

为了研究压气机带间隙平面叶栅近失速工况下叶尖涡系结构特点以及其非定常流动特性,本文采用大涡模拟(Large eddy simulation,LES)方法对典型叶栅进行数值计算并结合Q准则分析叶尖涡系结构特点,探索流动规律及叶尖涡系耦合过程。研究表明:与额定工况相比,近失速工况叶尖流场更为复杂,并通过大涡模拟观察到了次泄漏涡的存在;额定工况下泄漏涡不发生破碎,主次泄漏涡在近失速条件下均发生破碎,破碎后形成的低能流体与尾缘分离涡是造成叶尖堵塞及损失的主要原因;次泄漏涡在不同时刻生成点位置及与弦长夹角周期性变化,次泄漏涡的摆动与叶尖角区分离涡团的周期性脱落是叶尖非定常性的主要原因。     

种子叶片自旋下落过程涡系的PIV实验研究

本文利用粒子图像测速技术研究种子叶片自由旋转下落过程中不同涡系的相互作用机理。以典型枫树种子叶片为研究对象,通过对比不同叶片长度、叶面厚度、叶面宽度、下落锥角、自旋角速度、下落速度和下落初始角度等参数对过渡期和稳定期的影响,分析了诱发叶片自旋的外形特征和空间特性。结合特征参数分析,对叶片自旋稳定期开展了PIV流场测量实验,解析了无干扰下种子叶片下落过程中涡系的产生和演化机理。实验结果表明:稳定期气流在叶尖正面位置产生前缘涡（沿展向呈圆锥状结构）,后缘位置产生反方向的后缘涡;两个涡发生相互耦合运动,前缘涡的强度大于后缘涡,从而导致叶面产生锥角。在前缘和叶尖前方观测到较高的速度向上的区域,而在后缘和叶根附近则出现较高的速度向下的区域,从而对种子产生向上的升力,使叶片实现自旋稳定下落。通过枫叶种子自由下落的无干扰PIV测量,初步获得了贴近叶片表面前缘涡的运动性状,验证了后缘涡的存在,结论对单翼型旋转叶片的设计有一定指导意义。     

跨声速压气机转子叶尖区域流动特性的数值研究

本文采用全三维定常数值模拟的方法,对NASA Stage35跨声速压气机转子叶尖区域的流动特性进行研究,开展了网格独立性验证,通过与试验结果数据进行对比,确定了最优网格数量,核准了商用CFD软件的可靠性,计算获得的性能特性曲线和基元级性能与试验数据结果具有较好的一致性。通过对NASA Stage35转子叶尖区域流动特性分析表明:压气机发生流动失稳现象极有可能是由于在转子叶尖区域近压力面侧形成的低速流团堵塞叶栅通道造成的。在近失速工况,泄漏流和主流相互作用形成泄漏涡,泄漏涡和叶片前缘激波在流道中发生强烈干涉。同时,叶尖间隙泄漏涡经过激波后膨胀,间隙泄漏涡发生破碎,结构发生巨大变化,造成转子近叶尖区域的低速流团。